Mutation of plastid ribosomal protein L13 results in an albino seedling-lethal phenotype in rice

이진원,장성회,류상훈,이슬비,박준흠,이시철,Gynheung An,박순기 한국육종학회 2019 Plant Breeding and Biotechnology Vol.7 No.4

Chloroplasts are essential plant organelles that play important roles in photosynthesis and are involved in manyfundamental metabolic pathways. Plastid ribosomal proteins are essential components of protein synthesis machinery and have diverseroles in plant growth and development during chloroplast differentiation. In this study, we isolated and characterized T-DNA-taggedrice mutant (prpl13), which exhibited albino seedling lethality. PRPL13 is a nuclear gene encoding the 50S ribosomal protein L13,which is localized in chloroplasts. Transmission electronic microscopy analysis showed abnormal plastid development in thethylakoids of the chloroplasts of the prpl13 mutant seedlings. Chlorophyll and carotenoid contents were also significantly reduced inthe leaves of the mutants. Quantitative reverse transcription-PCR analysis revealed that the prpl13 mutations altered the expressionlevels of genes involved in photosynthesis and chloroplast development. Thus, our data indicate that nuclear-encoded PRPL13 plays animportant role in chloroplast development in rice.

Impaired Plastid Ribosomal Protein L3 Causes Albino Seedling Lethal Phenotype in Rice

이진원,장성회,류상훈,이슬비,박준흠,이시철,안진흥,박순기 한국식물학회 2019 Journal of Plant Biology Vol.62 No.6

The chloroplast is a semiautonomous photosyntheticorganelle that is essential for plant growth and development,particularly in crops via manipulation of its photosyntheticcapacity and the biosynthesis of carbon skeletons. Plastidribosomal proteins (PRPs) are crucial for the establishmentof the transcription/translation apparatus during chloroplastdifferentiation. In this study, we isolated and characterized TDNA-tagged rice mutants with defective chloroplasts, namedprpl3, that exhibited a distinct albino seedling lethality. Transmission electronic microscopy (TEM) observationsshowed that the grana stacks in the mutant were not properlyformed, with disrupted thylakoid structures in their chloroplasts. Chlorophyll content was also significantly reduced in the leavesof prpl3 mutant seedlings. PRPL3 contains nuclear genesencoding PRPs localized to the chloroplasts, and prpl3represents a novel mutant presentation of an impaired PRPL3gene. Our findings also demonstrated that PRPL3 is responsiblefor phenotypic alterations by generating additional mutantalleles thereof using CRISPR/Cas9 systems. Expression levelsof genes involved in photosynthesis and chloroplastdevelopment, including plastidial transcription and translationand photosynthesis, were altered in the prpl3 mutant. Theseresults collectively demonstrate that nuclear-encoded PRPL3 isindispensable for the proper development of chloroplasts in rice.

High daytime temperature induces male sterility with developmental defects in male reproductive organs of Arabidopsis

Tien Dung Nguyen,장성회,서문수,이진원,윤상대,오성앵,박순기 한국식물생명공학회 2019 Plant biotechnology reports Vol.13 No.6

High-temperature (HT) stress is an environmental factor that limits growth and productivity in various ways, depending upon organ type and the temperature and duration at which plants are challenged by HT-induced challenges. Thus, understanding how plants respond to heat is crucial if researchers are to develop crops that can withstand a rise in average temperatures due to climate change. In particular, the impacts of HT on reproductive organs are directly linked to crop productivity and/or food security, two key issues in agriculture. We used the Arabidopsis thaliana model system to examine how an elevated daytime temperature might influence the development of sexual organs. After 2 days of exposure to 35/22 °C (day/night), fertility gradually decreased for 3-week-old plants. After 5 days of exposure, fertility was dramatically reduced and plants displayed abnormal stamens, i.e., short filaments, poor production of viable pollen grains, and defective anther dehiscence. In contrast, female organs remained functional. Furthermore, the developing pollen grains from stressed plants underwent aberrant cytokinesis that generated a high proportion of unreduced, aneuploid, and diploid pollen. The formation of enlarged grains may have been due to polyploidization, which contributed to temperature-induced speciation and evolution. Our findings will aid in the molecular genetic dissection of HT-related damage in male reproductive organs, which are the most vulnerable to such stress.

육묘트레이 및 정식 깊이 차이에 따른 고추의 도복저항성 평가

이호아,이주원,이세형,이우문,문지혜,여경환,장성회 한국국제농업개발학회 2024 韓國國際農業開發學會誌 Vol.36 No.1

한국의 대표적인 원예작물인 고추의 기계수확의 필요성이증대되면서 도복이 가장 중요한 문제가 되고 있다. 수확 전도복을 방지하기 위해 지지대와 유인줄을 사용해야 하며 이는상당한 노동력과 인력을 필요로 한다. 기계 수확에 적합한 재배방법, 품종개발 등 다양한 방법이 제시되었지만, 재배환경에대한 기본적인 연구가 필요하다. 본 연구에서는 고추의 파종및 정식방법 차이에 따른 도복 정도에 미치는 영향을 확인하였다. 1. 직접 파종, 일반 육묘 트레이와 깊은 육묘 트레이에 파종한 방법을 비교하였을 때, 깊은 육묘 트레이에 파종했던 고추육묘의 뿌리가 12.6 cm로 가장 길게 나타났다. 2. 파종, 정식한 방법의 차이에 따라 각 그룹별 총 30개체에서 일반 육묘 트레이에 파종하고 뿌리 상부까지 정식했던 그룹이 28개체로 가장 많이 도복되었으며, 깊은 육묘 트레이에파종하고 자엽 상부까지 정식했던 그룹이 12개체로 가장 적게도복되었다. 3. 도복의 유형은 일반적인 줄기 도복, 뿌리 도복, 부러진줄기 도복 세 가지로, 각각 60%, 36.1%, 3.9%의 비율로 나타났다. 또한, 도복유형에 따라 각 그룹의 도복된 고추작물 개체수에 대해 차이를 보였다. 4. 파종 및 정식 방법 차이에 따른 생육 특성에 따른 수치상의 큰 차이는 없었지만, 다른 파종방법으로 자엽까지 정식했던 두 그룹 모두 가장 적게 도복되었다. 결과적으로, 더깊게 파종하고 자엽까지 정식하는 방법이 가장 적게 도복되어 이 방법으로 재배했을 경우 도복저항성이 더 높았다고 판단된다. Pepper cultivation requires a great amount of manual labor, especially for varieties needing support stakes to prevent them bending or breaking in heavy winds or rain. In Korea, it is recommended to secure support stakes and string lines carefully, so as to minimize the risk of damage caused by typhoons. The harvesting of peppers is a labor-intensive process with low rates of mechanization.The removal of stakes is particularly time-consuming during mechanical harvesting, and lodging is a major issue during cultivation and mechanical harvesting. Given increased mechanization during pepper harvesting, it is important to consider these issues when undertaking variety development and cultivation method improvements. Further research and development are required to improve cultivation practices and develop pepper varieties that are more resistant to lodging. Therefore, this study aimed to investigate the impact of different cultivation methods on pepper lodging, thus broadening our knowledge on the desirable architecture of pepper plants required for lodging tolerance.

아시아지역 고추 토마토 품종육성 기술 개발 협력 과제 수행 결과 및 금후 계획

조명철,양은영,정효봉,조인숙,김우재,박종윤,권택윤,장성회,Derek Barchenger,Peter Hanson,Lawrence Kenyon 한국국제농업개발학회 2022 한국국제농업개발학회 학술대회 Vol.2022 No.09

본 연구과제는 아시아지역 AFACI(Asian Food & Agriculture Cooperation Initiative) 회원 13개국을 대상으로 토마토 또는 고추 품종육성 기술을 지원하기 위해 수행 되었다. AFACI 회원국 별 채소 육종 및 종자 생산, 가공, 유통 기술 수준 차이가 크다. 라오스, 미얀마, 캄보디아 등의 회원국에서는 자가 종자 생산이 어려워 필 요 종자의 70~80%를 다른 나라에서 수입하여 활용하고 있다. AFACI 회원국들의 자가 종자 생산기술 향상을 통한 자체 종자 생산을 지원하기 위해 회원국들의 요 청을 받아 고추 또는 토마토 작목의 품종육성 기술지원을 수행하였다. 회원국에서 보유하고 있는 다양한 재래종 자원들의 수집, 평가 및 선발과 세계채소센터에서 육성한 자원들을 공급받아 육종 재료로 활용하였다. 본 과제는 2019년 11월부터 2022년 10월까지 1단계 과정을 통해 회원국별로 다양한 성과들을 창출하고 있다. 효율적인 기술지원을 위해 세계채소센터 전문가들을 활용하여 육종 기술과 재료 들을 공급하였다. 2단계에서는 1단계에서 확보된 다양한 자원들을 활용한 우수 고 정종 품종 등록과 일대잡종 품종육성 기술을 지원할 계획이다. 육성된 품종들은 국가별 품종 등록 절차에 따라 품종보호출원 및 농가 보급을 추진할 계획이다. 1 단계에서는 코로나 19로 인한 대면 교육이 불가능하여 국내 종자회사들과의 소통 이 어려웠다. 하지만 2단계에서는 대면 교육 기회를 확대하고, 국내 채소 종자 업 체와 회원국의 연구원들 간의 소통을 확대하여 국내 종자 기업들의 해외 진출에 도 기여 할 수 있도록 노력할 계획이다.

Sodium Nitroprusside 처리가 배추의 저온 스트레스 경감에 미치는 영향

이진형,위승환,이혜진,이상규,강민서,김태양,장성회,이희주 (사) 한국생물환경조절학회 2023 생물환경조절학회지 Vol.32 No.4

본 연구에서는 저온 스트레스 조건에서 sodium nitroprusside (SNP, 산화질소 donor)의 경엽처리가 배추의 생장, 광합성 특성 및 생리활성 반응에 미치는 영향을 구명하고자 하였다. SNP를 각각 7.5, 15, 및 30mg·L-1 농도로 주당 100mL을 4일간격으로 3회 엽면 살포하였고, 7일간 저온 스트레스를 처리하였다. SNP 처리 시 광합성 속도, 기공전도도, 세포 내 CO2 농도 및 증산 속도는 무처리 대비 증가하였고, 3회차 처리 후가장 높았다. MDA와 H2O2 함량은 무처리 대비 현저하게 감소하였다. APX, CAT, POD 및 SOD 활성은 무처리 대비 현저하게 증가하였으며, 각각 최대 38, 187, 24 및 175% 증가하였다. 배추의 생육 특성은 무처리구와 유의한 차이를 보이지않았으나, 생체중과 엽면적은 5% 정도 증가하였다. 따라서SNP의 경엽처리는 배추의 생육, 광합성 특성 및 항산화효소활성을 증대시키고 저온 스트레스에 의한 피해 경감에 긍정적인 효과를 유발함을 확인하였다. The effects of exogenous sodium nitroprusside (SNP, nitric oxide donor) on the growth, yield, photosynthetic characteristics, and antioxidant enzyme activity of kimchi cabbage (Brassica rapa L. subsp. pekinensis (Lour.) Hanelt) was studied under the low temperature conditions. Kimchi cabbages were treated with SNP of three concentrations (7.5, 15, 30 mg·L-1) for three times at four-day intervals and exposed to low temperature (16/7°C) stress for seven days. SNP treatment induced increases of net photosynthetic rate (Pn), stomatal conductance (Gs), intracellular CO2 concentration (Ci) and transpiration rate (Tr) under the stress condition with the highest level after the third treatment. The contents of malondialdehyde (MDA) and H2O2 were significantly lower in the treatment of SNP compared to the non-treated control. The activity of ascorbate peroxidase (APX), catalase (CAT), peroxidase (POD) and superoxide dismutase (SOD), increased in treated plants by up to 38, 187, 24 and 175%, respectively compared to the non-treated control. SNP-treated and untreated plants had similar growth characteristics. Compared to the control group, SNP-treatment increased fresh weight and leaf area by 5%. Overall, our findings suggest that the application of sodium nitroprusside to the leaves contributes to reducing physiological damage and enhancing the activities of antioxidant enzymes, thereby improving low temperature stress tolerance in kimchi cabbage.

고온 스트레스 환경 조건하의 배추 생산

이세형,백선혜,이주원,장윤아,서태철,문지혜,장성회 한국육종학회 2024 한국육종학회지 Vol.56 No.3

Climate change caused by global warming, is predicted to have severe consequencesfor ecosystems and economic sectors. In the agricultural industry, it is predictedthat there will be decreased crop yields resulting from shifting planting seasons, aswell as higher temperature and water stress which significantly reduce crop productivity. Kimchi cabbage, a cold-loving plant, is particularly vulnerable to high-temperature stresswhich can lead to stunted growth, increased susceptibility to pests like soft rot, reducedyield, and lower quality that will negatively impact the Kimchi cabbage market. Kimchi cabbagecan be cultivated in highland regions with low summer temperatures and reducedpest occurrence, but rising temperatures and water stress are expected to increase pestpressure, resulting in a rapid decrease in the potential cultivation area of Kimchi cabbage. Currently, research is being conducted around the world to identify physiological mechanismsof heat tolerance at the molecular level, selection of heat-tolerant material, andstudies on cellular responses of plants under high-temperature conditions. Despite numerousstudies on physiological and biochemical responses of Brassica crops to high temperatures,there is a need to develop heat-tolerant Kimchi cabbage cultivars that can adaptto rapidly changing climates, new strategies for pest control under high-temperature conditions,and mitigation measures to ensure stable cultivation and production.

필리핀의 시설원예 소개 및 잠재력

Jaypee H. Estigoy,여경환,서윤희,장성회 한국국제농업개발학회 2022 韓國國際農業開發學會誌 Vol.34 No.3

Protected agriculture has great potential for the vegetable industry in the Philippines as it allows the application of modern cultivation techniques to mitigate adverse weather conditions and enable farmers to manage pests and diseases efficiently. Thus, to address the increasing demand for food in the Philippines, one strategy to increase vegetable production which is tested and/or proven is through the intensified use of protective structures. This review describes the magnitude and potential of agriculture in the Philippines, focusing on the protected cultivation of horticultural crops. The Philippines is far behind in greenhouse technologies compared to other Asian countries where thousands to millions of hectares are used for protected vegetable cultivation. Several studies have investigated the economic viability and applicability of low- and high-cost protective structures in typhoon-prone countries such as the Philippines, demonstrating that protective structures are feasible and profitable. Also, the impact of protected cultivation as compared to the open field has resulted in significantly higher yield and better quality of produce. Hence, the Philippine government with the assistance of the Republic of Korea agreed to improve the country’s flagging vegetable industry and endeavor to attain the status of a food-secure country through the establishment of smart greenhouse technologies. Overall, despite the limitations due to the high cost of electricity and construction protected cultivation facilities including required technologies provide greater advantages for seasonal and off-seasonal vegetable crop production compared to that in the open field. Moreover, such technology can be applied to various geographical locations such as plains, hills, deserts, rural, and urban areas. 1. 필리핀은 국토 면적의 47%가 농업에 이용되며 인구 대다수가 농업에 의존하고 있는 대표적인 농업 국가이다. 그 중채소 재배는 필리핀 농가의 주된 수입원이지만, 채소 작물은주로 노지에서 재배하고 있다. 노지 재배는 시설 재배에 비해기후 및 주변 환경의 영향을 받는데, 필리핀의 고온 다습한 기후, 극한의 환경 조건(가뭄, 홍수)은 채소 재배에 불리하여 생산력이 낮고, 품질이 좋지 못하다. 이로 인해 증가하는 채소수요를 충족시키지 못하고 있다. 2. 시설원예는 불리한 환경 조건의 피해를 줄일 수 있고, 기상조건으로부터 농작물을 보호할 수 있어, 필리핀의 채소 생산을 늘리기 위한 대안이 될 수 있다. 시설 원예 하에 재배된채소 작물을 시설에서 재배했을 때 수확량은 노지에 비해 월등히 높다고 보고되었으며, 고부가가치 작물을 재배하는 데 도움을 주었다. 시설 재배는 농산물의 생산량과 품질의 향상에기여함으로써 궁극적으로 농가 소득의 증가를 유도한다. 3. 필리핀에서 수경재배는 초기 높은 투자비용으로 인해 연구기관, 소수의 농가에서만 운영되어 왔으며, 최근 한국 정부기관의 협력(KOICA, KOPIA) 하에 시설 재배 관련 프로젝트가 진행되었다. 시설원예의 재정적 지원에 있어 가장 큰 쟁점은 지속가능성이다. 필리핀에서 시설원예의 확대를 위해 주변국가와의 협력구조 형성, 연구자와 농가의 역량강화, 정부 투자 및 재정적 지원, 인프라(전기시설, 건축비용, 등)구축 등이요구된다. 4. 필리핀 정부(농무부)는 필리핀 농업 변혁을 통한 식량안보 달성을 위해 4가지 핵심 전략(식량의 접근성, 이용가능성, 활용성, 안정성)을 제시하였으며, 그 중 시설 재배와 관련된세부 전략[①농업기술의 혁신과 디지털화 추구 ②농업 인프라개발(농업 기계화, 관개 시스템, 가공 및 마케팅 시설 구축 등) ③기후변화 및 재난 대응을 위한 부서 제도화 ④식량 안전 규정, 위생 및 검역 통제]을 세워 국제 식량안보와 지속가능한농업을 위해 노력하고 있다. 5. 시설 재배는 필리핀 채소산업에 있어 큰 잠재력을 가진다. 필리핀에서 온실 등의 시설에서 재배된 작물은 각기 다른지리적 환경(평원, 언덕, 사막, 농촌, 도시 등), 시설 설계, 운영 체계에도 높은 생산량을 보임으로써, 필리핀에서의 시설 재배는 수익성이 있고, 실현 가능함을 입증하였다. 시설 재배는노지 재배에 비해 기후의 영향을 적게 받으므로, 우기와 건기모두 채소 수확량을 높일 수 있으며, 안정적인 생산으로 국민채소 섭취량 증가에도 기여할 수 있다.

가지과 채소를 중심으로 본 작물의 도복저항성

이호아,이주원,이세형,이우문,정효봉,유나리,이혜은,문지혜,여경환,장성회 한국국제농업개발학회 2023 韓國國際農業開發學會誌 Vol.35 No.4

원예작물의 재배에서 도복저항성은 식량안보와 지속가능한농업의 보장을 위한 중요한 농업적 형질이다. 작물의 도복저항성을 갖는 품종 개발에 대한 필요성이 높아지고 있지만 국내에서는 벼를 제외하면 도복저항성 연구를 찾아보기 힘들다. 이 리뷰논문은 가지과 채소작물의 도복위험을 최소화하여 기계 수확 과정에서 노동력을 절감할 수 있는 방안과 도복저항성을 지닌 품종 육성의 연구 개발에 참고 자료로 활용될 수있을 것으로 기대한다. 1. 세계적인 기후변화에 따른 기상재해로 인해 원예작물의피해가 증가하면서 주원인으로 도복이 대두되고 있다. 국내에서 원예작물의 대부분을 차지하는 가지과 채소작물은 생산량이 매우 높지만 도복으로 인한 기계수확의 어려움과 관련 연구가 많이 부족한 현실이다. 2. 원예작물에서 도복의 원인으로 환경적 요인(바람, 우박, 강우, 지형, 토성 등)과 재배적 요인(작물품종, 밀도, 토양입자, 병해충 등)이 있으며, 심각한 도복피해는 수확량 손실과 품질저하, 기계 수확에 있어 결정적인 제한요소가 될 수 있다. 3. 국내에서 대부분의 가지과 원예작물(고추, 토마토, 가지, 파프리카 등)은 도복피해를 방지하기 위해 농가에서 많은 노동력을 요구하는 유인재배를 하고 있으며, 설치된 지주대와 유인줄은 수확기에 기계 수확작업의 지장을 초래하는 주요요인이 되기에, 도복저항성은 매우 중요한 작물의 형질이다. 4. 도복을 예방하거나 도복 피해의 최소화를 위해 세포생물학적 특성을 바탕으로 다양한 연구가 진행되고 있다. 특히, 작물의 줄기에서 리그닌, 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스 성분들은 세포 및 조직의 구조적 강도를 향상시켜 작물의 도복저항성을 증가시키는 역할을 한다. 그러므로 도복저항성에 대한 세포생물학적 조절 메커니즘의 이해를 위한 추가적인 연구가 필요하다. 5. 본 논문에서 살펴본 연구사례들을 중심으로, 가지과 작물의 도복저항성 품종생산을 위한 육종연구와 재배법 개발이 활발히 이루어져 심각한 농촌 인력난과 같은 농업 현장의 여러난제들의 해결에 기여할 수 있길 기대한다. The term ‘lodging’ in agriculture is usually used when the crops fall from their upright position before harvesting. Various factors may be responsible, including inherent weaknesses in the stem, resulting from low lignin content or small root systems. Weather, such as strong winds or rains, will also likely increase lodging. Insect or disease damage can also weaken the plants, and cultural practices, such as fertilization, irrigation, and cultivation techniques, may increase the risk. Most of the research studies on lodging have been undertaken on cereal crops, but this is also an issue with many vegetable crops, and especially those that require mechanized harvesting. In this review, the issue of lodging in solanaceous vegetable crops is discussed, with an emphasis on the key risk factors and potential areas for future research that can identify damage mitigation strategies.

세계채소센터 고추, 파프리카, 토마토 자원의 국내 적응성 평가

전도연,서윤희,강명용,강예은,정효봉,양은영,조명철,이우문,황인덕,여경환,장성회 한국국제농업개발학회 2023 韓國國際農業開發學會誌 Vol.35 No.2

The World Vegetable Center (WorldVeg) maintains the world’s largest public vegetable germplasm collection. The Genebank contains over 65,000 accessions and consists of more than 130 genera and 330 species. It includes around 12,000 accessions of indigenous vegetables. The WorldVeg Korea Office (WKO) has been conducting regional adaptability evaluations in the fields of the National Institute of Horticultural and Herbal Science (NIHHS), with a focus on major solanaceous vegetable crops such as tomato, chili, and bell pepper. As climate change significantly affects vegetable crop productivity, the development of high-performing cultivars, tolerant to various abiotic and biotic stresses with enriched nutrients inside, is essential to enhance agricultural sustainability and human health. In this regard, the evaluation of growth and horticultural characteristics of pepper and tomato accessions from the WorldVeg will help contribute to the generation of new and improved cultivars, to address global challenges that affect food security, sustainability, and adaptation to climate change. Here, we summarize our activities and the results of the regional adaptability evaluation using the WorldVeg accessions of pepper and tomato germplasms.